沉积型和火山型地热流体的同位素水文地球化学对比研究

马致远，李嘉祺，翟美静，吴 敏，2，许 勇，2

(1.长安大学环境科学与工程学院，陕西，西安 710054；2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西，西安 710054)

随着我国经济的迅猛发展、能源供需关系日益紧张以及生态文明建设战略的持续深入推进，探索新型、可持续、绿色能源尤为重要。地热能作为一种清洁、可再生、安全且具有高利用率的能源，其独特优势日益受到关注。利用地热能发电，其利用率是风能及太阳能发电的4～5倍，平均利用率高达70%以上。地球的地热总能量虽然巨大，但其分布很不均匀且类型各异，因此需要对沉积型和火山型两种不同的地热系统进行系统的对比研究，才能实现有针对性且有效的利用。一般而言，在地质历史时期，火山型地热带火山活动较为频繁，具有较大规模的岩浆侵入活动，区内有大面积的火山岩覆盖，地表热显示特征较多。而沉积盆地型一般指地壳沉降区，沿基底或盖层内构造断裂带展布的地热带[1]。国内外学者分别对两种地热系统地质构造、地热水起源及成因模式做了一定的研究[2-7]，但缺乏对沉积型和火山型地热流体的同位素水文地球化学系统性的分析及对比研究，尤其我国典型的火山型地热系统腾冲热海地热系统和典型沉积盆地型地热系统关中盆地腹部地热系统两种不同成因类型地热流体的同位素水文地球化学的同异性及可持续开发利用的特点未做研究。前人的研究成果一般认为火山型地热流体主要来源于现代水的补给，热储环境较为开放。然而，此次研究发现，实际情况并非如此，火山型热储流体在一定程度上具有与沉积盆地型相类似的同位素水文地球化学特征。鉴于此，本文针对沉积型和火山型两种不同的地热类型，分别以关中盆地及腾冲热海地热系统为典型代表，在对比分析两区域自然地理、地质构造的基础上，应用水文地球化学结合环境同位素的方法[8-9]，系统地对两个典型地热系统热储流体的同位素水文地球化学特征进行对比研究，揭示其地热流体起源及成因、热储开放程度等方面的异同之处，为我国不同类型地热资源的可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

关中盆地为三面环山，东面敞开的盆地(图1)，位于陕西省中部。盆地从东到西总长约340 km，东西宽度不均一，东部最宽达70 km，总占地面积约为3.4×104km2。

图1 关中盆地自然地理图

在关中盆地研究区内，新构造运动频繁，具有较强的运动性及明显的继承性。第四系伊始，相对于其北部鄂尔多斯地块及南部秦岭山区，盆地内部呈强烈的下降态势。通过不同的断裂规模及其活动程度与方向、基底及沉积相特征等方面的差异性，可以将关中盆地划分为六个构造单元(图4)。由于西安凹陷与咸礼断阶处于关中盆地腹部，对于沉积型地热系统代表性更强，因此本次对关中盆地的研究主要集中在两个构造单元。关中盆地腹部地层发育不完全，缺失古生界、中生界地层，发育有新生界古进系、新近系及第四系(图2)。

图2 关中盆地典型地段剖面图

腾冲县位于云南省西南部，地处保山市西部，俯视呈倒三角状。东西宽约70 km，南至龙陵县、梁河县，南北跨度较大，约为140 km，占地总面积约5 800 km2。热海热田位于西南转角处，介于荷花傣族佤族乡与清水镇之间。

图4 关中盆地区域构造及取样点位置图

腾冲属于板缘地热带，位于欧亚板块与印度板块碰撞带的东侧，自古近纪以来，经历了多期次火山构造活动，形成了发育的断裂构造，为该区域地热活动提供了良好的地质构造条件。其岩浆活动、变质作用均存在明显的沿着区内大断裂带频繁侵入的特征，并产生多期次变质作用，尤其是燕山—喜山期，印度板块与欧亚板块发生剧烈碰撞，使其产生破碎带及剪切带，受板块俯冲重熔而贮藏在地壳深部的高熔物质和高热流沿断裂带不断上涌，形成区内大面积岩浆侵入活动[10]。这一过程的不间断进行，使得本区断裂构造非常发育，尤其在热海地热田断裂密布，存在两组近南北及东西向断裂带(图3)。腾冲热海地热田地层有部分缺失，主要发育的地层自下而上分别为元古界高黎贡山群(Ptgl)，上古生界石炭系(C)、二叠系(P)，新生界新近系(N)与第四系(Q)，不发育地层为下古生界、中生界以及新生界古近系。

图3 腾冲热海地热田断裂构造图

2 样品的采集与测试

本次研究所用水样主要取自关中盆地腹部的西安凹陷、咸礼断阶的深层地下热水和腾冲热海地热系统出露的泉水，且均严格按照取样标准进行取样，取样点位置见图4、图5。

本次研究水样共计23组，包括关中盆地腹部水样14组，腾冲热海地热系统水样9组，其中收集水样点5组[11-12](见表1)。采集的水样装于用蒸馏水及原水润洗过至少3次的500 mL聚乙烯瓶内，并经密封处理后，送往陕西省工程勘察研究院水土检测中心进行水样的水化学组分测试，测试仪器为AA-100原子吸收仪，测试前不需要进行特殊的预处理。

表1 研究区各水样点水化学组分

注：(*)为收集样点

图5 腾冲热海地热田取样点位置图

本次研究水样共计32组，包括关中盆地腹部水样17组，腾冲热海地热田水样15组，其中收集水样点12组(见表2)。采集的水样均装于用蒸馏水及原水润洗三次以上的500 mL聚乙烯瓶内，并经密封处理后，送往中国地质大学(武汉)环境学院同位素液闪仪实验室，通过稳定同位素气体质谱仪MAT-253与超低本底液体闪烁能谱仪Quantulus 1220仪器分别对氘(D)、氧-18(18O)及氚(3H)同位素进行定量测定。测试前不需要特殊的预处理。所有测试结果均采用VSMOW国家标准。

表2 研究区各水样点氢氧同位素

注：(*)为收集样点

3 水文地球化学特征对比研究

不同成因类型的地热流体其热储环境存在一定的差异，因此地热流体在与环境介质发生相互作用的过程中，会形成不同的水化学特征、元素组成及其分布规律。

3.1 水化学类型对比分析

关中盆地与腾冲热海地热系统均具有良好的地热储备环境。前者热储层为沉积岩，以松散的砂岩、砂砾岩为主；后者热储岩性以富含铝硅酸盐矿物的岩浆岩为主，如安山岩、英安岩及壳源花岗岩等。组成沉积岩的常见矿物有石英、白云母、黏土矿物、钾长石、酸性斜长石，方解石、白云石、石膏、硬石膏、赤铁矿、褐铁矿、玉髓、蛋白石、铝土矿、磷矿物、锰矿物等。其中石英、钾长石、酸性斜长石、白云母也是岩浆岩的常见矿物，其是岩浆岩与沉积岩共有的矿物。此外，岩浆岩中常见的橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、中性及基性斜长石在沉积岩中很少见，而岩浆岩中一般难以出现或不存在的矿物，如方解石、白云石、黏土矿物、石膏、硬石膏等，在沉积岩中相当普遍[13]。

图6 腾冲热海热田及关中盆地腹部水样Piper对比图

图7 腾冲热海热田及关中盆地腹部水样指纹对比图

由图8可以看出，关中盆地腹部热水样点均落在部分平衡区，且接近完全平衡，而腾冲热海地热田热水样点大部分落在部分平衡区，由此可以推断，与关中盆地腹部地热水相比，腾冲热海地热田热储开启性较关中盆地好，且其地热流体热储年龄较小，水岩反应处于初—中级演化阶段。

图8 腾冲热海热田及关中盆地腹部水样Na-K-Mg对比图

3.2 离子比例系数对比分析

图9 腾冲热海热田及关中盆地腹部水样关系对比图

3.3 热储温度及冷水混入比的估算

热储温度及地热流体的冷水混入量是一个区域地热资源评估的重要指标[15]。通过对比关中盆地腹部及腾冲热海地热系统地热流体多矿物平衡法得出其热储温度。不同温度下，矿物在水中的溶解沉淀规律不同。当矿物饱和指数SI=0时，流体与矿物达到平衡状态。多矿物平衡法模拟热储温度是利用了流体中多种矿物的溶解沉淀规律与其热储环境温度之间的关系。当溶液中一组矿物同时接近平衡时，可判断地热流体与热储环境中的这组矿物达到了化学平衡，此时的温度即为该处的热储温度[16]。利用PHREEQC软件计算不同温度下的饱和指数SI，并构建SI-T函数关系图，利用多矿物平衡法模拟出的热储温度见表3。

由表3可知关中盆地腹部平均热储温度为98.2℃，平均冷水混入比为22.1%；腾冲热海地热田热储温度均值为198.4℃，明显高于关中盆地，平均冷水混入比为53.5%，亦明显高于关中盆地，说明火山型地热系统热源足且补给好，其开发利用更为高效。

表3 多矿物平衡法模拟热储温度及冷水混入比

3.4 地热流体循环深度的计算

根据关中盆地腹部及腾冲热海地热系统各样点的热储温度可计算出两区域各样点地热流体的循环深度。关中盆地腹部及腾冲热海地热系统地热流体循环深度见表4。

关中盆地腹部及腾冲热海地热田地下热水平均热储循环深度分别为2 727 m、1 156 m，即在关中盆地腹部，大气降水循环到2 727 m时才能达到热储的温度。在腾冲热海地热田构造背景下，地热流体热储埋藏较浅，地热水向下运移到约1 156 m就能被加热，进而返回地表，说明火山型地热系统更易于开发利用。

表4 研究区地下热水热储循环深度

4 环境同位素特征对比研究

4.1 氢氧同位素特征对比分析

由图10可知，关中盆地腹部地热水δ18O 值为-11.3‰～-3.75‰，δD值为-85‰～-66.02‰，氘剩余d值为-40‰～0，揭示了关中盆地腹部热水样点较大程度的偏离了当地大气降水线。且热水混合年龄偏大，最大36Cl年龄达1 051.09 ka[17]，足见其在较封闭的热储环境下的滞留状态，说明关中盆地腹部地热流体在接受补给时，鲜有现代大气降水补给，以古大气降水的补给为主。腾冲热海地热田地热水δ18O 值为-9.69‰～-5.38‰，δD值为-70.7‰～-60.52‰，剩余d值为-20‰～-10‰。令人感兴趣的是腾冲热海地热流体存在比较显著的“氧漂移”现象，这与认为腾冲热海地热田热储流体δ18O-δD值可能落在大气降水线附近的假设相悖。表明其地热流体赋存期间发生了较为明显的水岩反应，具有相对较长的滞留时间，最大14C年龄为12.43ka，接受部分古大气降水补给。此外，较大的氚值(3.6～21.8TU)显示其亦存在部分现代大气降水的补给。而腾冲热海地热田热储流环境具有一定的封闭性，且其热储岩性为花岗岩、变质岩，其岩性δD的背景值小于沉积层，在一定程度上影响了地热水δ18O富集，但较大的热储温度(198.4℃)是其发生“氧漂移”的主控因素。

图10 研究区地热水氢氧同位素关系对比图

4.2 放射性同位素特征对比分析

氚(T或3H)具有较短的半衰期，T1/2为12.43a。在地下水体中，氚含量一般仅受控于其衰变规律，因此被视为受现代大气降水补给的地下水的理想示踪剂[18-19]，被广泛的应用到对地下水年龄小于50a的浅层年轻水体的测年中。

根据关中盆地14C年龄与3H值进行数值模拟，模拟结果见图11。将腾冲热海地热田热水样点3H值代入式(1)可得其14C估算年龄(表5)。关中盆地腹部地热流体14C年龄为12.27～23.65ka，平均年龄为17.44ka，腾冲热海地热田地热流体14C估算年龄为0.08～12.43ka，平均年龄为5.41ka。

y=33850·e-0.27884xR2=0.69

(1)

式中：y——14C年龄；

x——3H值。

图11 3H与14C年龄关系图

4.3 锶同位素特征对比分析

锶同位素其组成不受蒸发作用、化学交换、生物作用等过程影响，因而不失为一种研究地热流体的有效手段。不同的矿物具有不同的87Sr/86Sr比值，当地下水流经不同的矿物体时，在矿物溶解的过程中，部分Sr由矿物转入水体，从而使水体具有与岩石相似的87Sr/86Sr比值。因此，可将稳定的87Sr/86Sr比值作为地热流体水源及其水流路径的理想示踪剂[20]。不同水体的87Sr/86Sr比值背景值为：铝硅酸盐溶滤水87Sr/86Sr比值大于0.720；新、古近系油田水的87Sr/86Sr比值介于0.7112～0.7119之间；河水为0.7110；雨水为0.709；海相沉积水为0.708。

表5 研究区3H(TU)与14C/ka、36Cl/ka汇总表

注：(*)为收集样点

由图12可以看出，大多数关中盆地热水的87Sr/86Sr比值落在0.709和0.711之间，揭示其源于古代大气降水及河水的混合水；低于0.709的87Sr/86Sr比值结合构造特征说明该区域部分地热水储热位置距地幔较近，存在一定比例深部过渡性花岗岩类水的混入。腾冲热海地热田地热流体的87Sr/86Sr比值均大于0.711，且大多接近硅铝酸盐背景值，结合壳源火成岩高硅铝酸盐的特征及当地地质构造环境，推测其来源不完全为大气降水，而是与高黎贡山群火成岩中赋存的流体相关。此外，热水87Sr/86Sr比值存在明显差异，推测其具有不同的水流路径。

图12 研究区地下热水87Sr/86Sr-Na关系对比图

4.4 硫同位素特征对比分析

在不同水文地质背景下，地热流体含硫组分与热储环境中的其他硫化物发生硫同位素的交换反应，尤其在还原环境中，硫同位素的强烈分馏会导致热储流体中34S的富集，因此可以根据地热流体中34S的含量揭示其热储环境的封闭程度。结合其他同位素及离子组分，还可以定性的说明水中硫酸根的来源。此外，将流体34S含量与地质历史时期34S含量对比，可辨识硫酸盐的其他来源[2, 21]。

由图13可以看出，关中盆地腹部地热水δ34S值为8‰～15‰，且与δ18O呈正相关关系；腾冲热海地热田地热水δ34S值为1‰～6‰。前者δ34S值较后者更大，且在关中盆地腹部咸阳城区的δ34S值略大于西安城区，揭示其封闭性较西安城区更好。与关中盆地腹部相比，腾冲热海地热田热储流体的δ34S值较低，且未与δ18O呈正相关关系，揭示其热储封闭程度较关中盆地腹部略差，脱硫酸作用较弱。

图13 研究区地下热水δ18O与δ34S关系对比图

5 结论

(1)关中盆地与腾冲热海地热系统均具有良好的地热储备环境。前者热储环境更为封闭，热储层更厚；后者热储岩性以破碎的变质岩及花岗岩为主，裂隙、节理发育良好。两个区域均受控于大型断裂构造，前者自新生代以来构造活动频繁，后者多为新近系以来多期次火山构造活动所致，热源通道更为畅通。较浅的莫霍面埋深，导致关中盆地出现地热异常，为该区良好热源；后者在地下7 km左右存在厚度约为20 km的岩浆囊，构成该区可持续利用的地热流体热源。

(2)腾冲热海地热系统地热流体部分来源于现代大气降水，补给条件较关中盆地好。此次研究发现，火山型热储流体在一定程度上具有与沉积盆地型相类似的水文地球化学特征。因此，可以推测，不论热储岩性是沉积岩还是岩浆岩，在漫长的地质历史时期，水岩反应的程度是决定热储流体水化学类型的主控因素。

(3)关中盆地腹部及腾冲热海地热系统地热流体均存在比较明显的δ18O富集现象。前者表现更为显著，更为封闭的热储环境及更长的地热流体滞留时间是其δ18O富集的主控因素。后者的热储环境亦具有一定的封闭性，较高的热储温度(198.4℃)是发生δ18O富集的主控因素。

(4)腾冲热海地热系统地热流体水化学类型与关中盆地西安城区具有一定的相似性。可将关中盆地腹部及腾冲热海地热系统地热流体分别分为两大类型：关中盆地腹部为沉积—半封闭型、封闭型，腾冲热海地热系统为火山—半封闭型。建议在腾冲热海开发利用中实施梯级利用并开展地下热水的回灌工作，以确保地热资源的可持续开发利用。火山型地热系统热储温度高，埋藏更浅，热水循环更快，更易于开发利用。建议尝试性的开展地热发电工作，实施“西电东送、南电北送”工程，缓解我国燃煤发电压力，为绿色发电、治污减霾提供新能源。